Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV

B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI NG VN TUYấN ti: NGHIấN CU H THNG MNG CUNG CP DCH V IPTV LUN VN THC S CHUYấN NGNH: IN T - VIN THễNG NGI HNG DN KHOA HC: TS NGUYN CHN HNG H NI - 2008 Lời mở đầu Sự đột phá việc cải thiện băng thông hệ thống mạng phân phối đ mở thời kỳ dịch vụ cung cấp chia sẻ nội dung số Với đờng truyền dẫn sử dụng công nghệ ADSL, VDSL, công nghệ truyền dẫn quang cho phép nhà khai thác viễn thông mở rộng cung cấp dịch vụ đa phơng tiện tới khách hàng Một dịch vụ đợc thu hút quan tâm IPTV áp dụng kỹ thuật nén tiên tiến nh MPEG-4, H.264, hệ thống IPTV cho phép nhà khai thác tổ chức, quản lý truyền tải hàng ngàn kênh truyền hình quảng bá, nội dung truyền hình trực tiếp (Live TV), nội dung phim ảnh theo yêu cầu với chất lợng cao, đảm bảo tiêu chuẩn truyền hình SDTV, HDTV Ngoài IPTV hệ thống hứa hẹn cho phép tích hợp nhiều ứng dụng chia sẻ nội dung số, hình thức thông tin tiên tiến nh truyền hình tơng tác, mua bán hàng nhà qua ảnh TV Với khả tích hợp nhiều dịch vụ, công nghệ tiên tiến đặc biệt khả cá nhân hóa sở thích ngời sử dụng, khả quản lý quyền nội dung số, IPTV đ đợc nhiều nhà phát triển sản xuất nghiên cứu, chuẩn hóa bớc triển khai nhiều nơi Nhằm tìm hiểu, nghiên cứu cấu trúc hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV, đợc bảo Thầy TS Nguyễn Chấn Hùng, đ chọn đề tài làm luận văn tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV Nội dung luận văn nghiên cứu tổng thể cấu trúc mạng cung cấp dịch vụ IPTV từ phía nhà cung cấp dịch vụ tới phía khách hàng, nghiên cứu kiến trúc hệ thống Open IPTV, chuẩn chung đ đợc nhà phát triển thống sở phát triển cho hệ thống IPTV sau Ngoài nội dung luận văn tìm hiểu vấn đề kỹ thuật nén video, cấu trúc chuẩn nén video H.264, tìm hiểu ứng dụng kỹ thuật nén video m nguồn mở JM Joint Video Team (JVT) Luận văn đợc cấu trúc thành chơng: Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV - Chơng 1: Tổng quan hệ thống truyền hình IPTV: Trình bày vấn đề tổng quát dịch vụ IPTV, hệ thống mạng vấn đề kỹ thuật mạng cung cấp dịch vụ IPTV - Chơng 2: Mô hình kiến trúc hệ thống Open IPTV: Tìm hiểu kiến trúc, mô hình chức thực thể, giao diện thực thể chuẩn Open IPTV - Chơng 3: Cơ sở kỹ thuật nén video: Trình bày vấn đề bản, sở lý thuyết kỹ thuật nén video, chuẩn nén video - Chơng 4: Kỹ thuật nén Video MPEG-4 AVC/H.264: Tìm hiểu cấu trúc chuẩn nén video MPEG-4 AVC/H.264, tìm hiểu nghiên cứu khả ứng dụng sản phẩm phần mềm nén video m nguồn mở JM Để hoàn thành luận văn này, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo TS Nguyễn Chấn Hùng, ngời đ tận tình định hớng, bảo cho kiến thức quý báu trình nghiên cứu Mặc dù thân đ cố gắng nhng lực, kinh nghiệm hạn chế, vấn đề nghiên cứu rộng nên luận văn chắn nhiều thiếu sót Vì kính mong nhận đợc đóng góp ý kiến, bảo thầy cô giáo bạn đồng nghiệp để ngày hoàn thiện vốn kiến thức Hà Nội, tháng 10 năm 2008 Đặng Văn Tuyên Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV mục lục danh mục từ viết tắt danh mục bảng danh mục hình vẽ chơng 1: tổng quan hệ thống Iptv 11 1.1 Khái niệm hệ thống IPTV 11 1.1.1 Khái niệm chung 11 1.1.2 Một số đặc điểm IPTV 12 1.1.3 Dịch vụ truyền hình theo yêu cầu (VoD) truyền hình tơng tác (Interactive Television) 13 1.2 Kiến trúc tổng quát hệ thống IPTV 15 1.3 Mạng truy nhập IPTV giao thức IP 19 1.3.1 Tổng quan mạng IP giao thức IP 19 1.3.2 Giao thức tầng giao vận ứng dụng truyền video cho hệ thống IPTV 21 1.3.3 Truyền tin đa hớng Multicast ứng dụng multicast IPTV 24 1.3.4 Công nghệ truyền dẫn mạng truy nhập IPTV 26 1.4 Đảm bảo chất lợng quản lý quyền truy nhập 32 1.4.1 Các yếu tố ảnh hởng đến chất lợng video hệ thống IPTV 32 1.4.2 Quản lý quyền truy nhập 36 1.5 Tổ chức quản lý máy chủ video hệ thống IPTV 38 1.5.1 Phân loại máy chủ video 39 1.5.2 Máy chủ dịch vụ Video theo yêu cầu (VoD Server) 41 1.5.3 Máy chủ dịch vụ quảng cáo (Advertising Server) 43 1.6 Thiết bị đầu cuối ngời sử dụng 43 1.6.1 Cấu trúc IPTV Set-top box 44 1.6.2 Các phần mềm trung gian Midleware 47 chơng 2: mô hình kiến trúc hệ thống open iptv 47 2.1 Mô hình hệ thống Open IPTV 49 2.1.1 Mô hình hệ thống 49 2.1.2 Sự hình thành chuỗi dịch vụ hệ thống IPTV 51 2.2 Kiến trúc hệ thống Open IPTV 52 2.2.1 Định danh điểm tham chiếu 52 2.2.2 Kiến trúc hệ thống phía cung cấp dịch vụ 53 2.2.3 Kiến trúc hệ thống phía khách hàng 63 2.3 Các giao thức, thủ tục xử lý 66 2.3.1 Kết nối thiết bị khách hàng 67 2.3.2 Tìm kiếm lựa chọn dịch vụ IPTV 67 Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV 2.3.3 Định danh xác nhận đăng nhập ngời dùng 67 2.3.4 Thiết lập quản lý phiên Unicast 67 2.3.5 Các thủ tục quản lý phiên nội dung đ có kế hoạch 68 2.3.6 Các thủ tục thiết lập dịch vụ 68 2.3.7 Quản lý thông tin ngời dùng (User Profile Management) 68 2.3.8 Các thủ tục điều khiển nội dung CoD 68 2.3.9 Các thủ tục bảo vệ dịch vụ nội dung 69 2.4 Kết nối IPTV dịch vụ truyền thông khác 69 2.4.1 Dịch vụ hiển thị Caller ID 69 2.4.2 Dịch vụ tin nhắn (Messaging) 70 2.4.3 Dịch vụ chat 70 2.5 Kết nối IPTV thiết bị chuẩn DLNA 70 chơng 3: sở kỹ thuật nén video 71 3.1 tính tơng quan luồng tín hiệu video mô hình nén video 74 3.2 Nén miền thời gian 76 3.2.1 Tạo ảnh dự đoán từ ảnh liền trớc 77 3.2.2 Tạo ảnh dự đoán bù chuyển dịch theo khối (Block based) 77 3.2.3 Nội suy điểm ảnh xác định hớng chuyển dịch 80 3.2.4 Phân loại ảnh cấu trúc nhóm ảnh 85 3.3 Nén miền không gian 87 3.3.1 M hóa dự đoán ảnh 88 3.3.2 M hóa chuyển đổi 89 3.4 M hóa Entropy 95 3.5 Mô hình m hóa video kết hợp DPCM/DCT 97 3.5.1 Bộ m hóa 98 3.5.2 Bộ giải m 100 3.6 Các chuẩn nén video 101 chơng 4: kỹ thuật nén video mpeg4 avc/h.264 101 4.1 Tổng quan H.264 104 4.1.1 Sơ đồ tổng quát cấu trúc m hóa giải m H.264 104 4.1.2 Cấu trúc tiêu chuẩn H.264 104 4.1.3 Định dạng tín hiệu video 105 4.2 Một số vấn đề H.264 106 4.2.1 ảnh tham chiếu quản lý ảnh tham chiếu H.264 106 4.2.2 Macroblock(MB) mảnh (slice) 106 4.3 Cấu trúc Baseline Profile H.264 108 4.3.1 Độ phân giải xác định vector chuyển dịch 108 Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV 4.3.2 Dự đoán vector chuyển dịch 110 4.3.3 Dự đoán ảnh (Intra Prediction) 112 4.3.4 Bộ lọc giảm tợng hình thành khối (Deblocking filter) 113 4.3.5 Biến đổi Lợng tử hóa 113 4.3.6 Sắp xếp hệ số 116 4.3.7 M hóa Entropy 117 4.4 Main Profile Extended Profile 122 4.4.1 Mảnh loại B danh sách ảnh tham chiếu 122 4.4.2 Dự đoán có trọng số 123 4.4.3 M hóa số học nhị phân thích nghi CABAC 123 4.4.4 Mảnh SP mảnh SI 124 4.5 Bộ công cụ nén video m nguồn mở Joint Video Team 125 4.5.1 Cấu trúc sản phẩm m nguồn mở nén video H.264 JM 126 4.5.2 Cách sử dụng phần mềm m nguồn mở JM 126 4.5.3 Định hớng tham gia phát triển 132 KếT LUậN Và KIếN NGHị 130 TàI LIệU THAM KHảO Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV Danh mục Những từ viết tắt ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đờng dây thuê bao bất đối xứng AG Application Gateway Gateway ứng dụng AON Active Optical Network Mạng quang tích cực API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng AS Application Server Máy chủ ứng dụng ASM Authentication and Session Management Quản lý phiên xác thực A/V Audio and Video BPON Broadband Passive Optical Network Mạng quang thụ động băng rộng BTF Basic Transport Function Chức giao vận CAS Conditional Access System Hệ thống truy nhập có điều kiện CC Cluster Controller Bộ điều khiển Cluster CD Content Delivery Phân phối nội dung CDC Connected Device Configuration Cấu hình thiết bị đ đợc kết nối CDF Content Delivery Function Chức phân phối nội dung CDN Content Delivery Network Mạng phân phối nội dung CDNC CDN Controller Bộ điều khiển mạng phân phối nội dung CE Consumer Equipment Thiết bị phía khách hàng CoD Content on Demand Nội dung theo yêu cầu CP Content Provider Nhà cung cấp nội dung CPI Content Provider Interface Giao diện nhà cung cấp nội dung CSP Content and Service Protection Bảo vệ nội dung dịch vụ DLNA Digital Living Network Alliance - Khối liên minh mạng chia sẻ nội dung số DLNA DMS DLNA Digital Media Server Máy chủ nội dung số mạng DLNA DLNA DMP DLNA Digital Media Player Thực thể trình diễn nội dung mạng DLNA DOS Denial of Service Từ chối dịch vụ DRM Digital Rights Management Quản lý quyền số Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV DSLAM Digital subscriber line access multiplexer Thiết bị truy nhập đờng truyền thuê bao số DTCPIP Digital Transmission Content Protection over Internet Protocol Bảo vệ nội dung truyền dẫn số mạng IP DTT Digital Terrestrial Television Truyền hình số mặt đất DVB-IP Digital Video Broadcasting Internet Protocol Truyền hình số quảng bá qua mạng IP EPG Electronic Program Guide Hớng dẫn lựa chọn, sử dụng chơng trình FE Functional Entity Thực thể chức FTTH Fiber To The Home Mạng truyền dẫn quang tới khu nhà FTTRO Fiber To The Regional Office Mạng truyền dẫn quang tới văn phòng khu vực GPON Gigabit Ethernet Passive Optical Network Mạng quang thụ động kiến trúc Ethernet GUI Graphical User Interface Giao diện Đồ họa ngời sử dụng HD High Definition Độ phân giải cao HDMI High Definition Multimedia Interface Giao diện đa phơng tiện phân giải cao HN Home Network Mạng phía khách hàng HTTP Hypertext Transfer Protocol - Giao thức truyền liệu siêu văn IAI Internet Access Interface Giao diện truy nhập Internet IG IMS Gateway Cổng dịch vụ IMS IGMP Internet Group Management Protocol Giao diện quản lý nhóm mạng Internet IMPI IMS Private User Identity Định danh ngời dùng riêng hệ thống IMS IMPU IMS Public User Identity Định danh ngời dùng chung hệ thống IMS IMS IP Multimedia System Hệ thống đa phơng tiện IP IP Internet Protocol Giao thức Internet IPTV Internet Protocol Television Truyền hình giao thức IP ISIM IMS Subscriber Identity Module Module thực thể thuê bao hệ thống IMS Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV ISP ITF Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet IPTV Terminal Function Chức đầu cuối IPTV LAN Local Area Network Mạng cục M/CU/C Multicast to Unicast Chuyển đổi từ truyền tin đa hớng sang đơn hớng MDP Multicast Distribution Protocol Giao thức phân phối truyền tin đa hớng MDTF Multicast Data Terminating Function Chức đầu cuối liệu truyền tin đa hớng NAT Network Address Translation Chuyển đổi địa mạng nPVR Network Personal Video Recorder Máy ghi video cá nhân trực tiếp mạng OIF Open IPTV Forum Diễn đàn hệ thống IPTV mở OMA Open Mobile Alliance Liên minh hệ thống di động mở PAE Procedural Application Environment Môi trờng ứng dụng theo hớng thủ tục P2P Peer-to-Peer Mô hình mạng ngang hàng PC Personal Computer Máy tính cá nhân PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động công cộng mặt đất POTS Telephone Service Dịch vụ điện thoại PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động PVR Personal Video Recorders Máy ghi video cá nhân QoS Quality of Service Chất lợng dịch vụ RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực RTCP Real Time Control Protocol Giao thức điều khiển thời gian thực RTSP Real Time Streaming Protocol Giao thức truyền dẫn luồng liệu thời gian thực RMS Remote Management System Hệ thống quản lý từ xa RUI Remote User Interface Giao diện ngời dùng từ xa SAA Service Access Authentication Xác nhận truy nhập dịch vụ SD Standard Definition Độ phân giải tiêu chuẩn Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV SD&S DVB Service Discovery and Selection Duyệt lựa chọn dịch vụ DVB SDP Session Description Protocol Giao thức SLA Service Level Agreement Sự thỏa thuận mức ứng dụng SIM Subscriber Identity Module Khối thực thể thuê bao SIP Session Initial Protocol Giao thức thiết lập phiên SMS Short Message Service Dịch vụ nhắn tin ngắn SP Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ SPI Service Provider Interface Giao diện nhà cung cấp dịch vụ SPDF Service-based Policy Decision Function Chức định sách theo hớng dịch vụ SPP Service Platform Provider Nhà cung cấp hạ tầng dịch vụ SSO Single Sign-on Truy nhập lần STB Set Top Box Thiết bị điều khiển đầu cuối phía khách hàng TCI Transport and Control Interface Giao diện điều khiển truyền dẫn TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol Giao thức điều khiển truyền/ Giao thức Internet UDP User Datagram Protocol Giao thức liệu ngời sử dụng UE User Entity Thực thể ngời dùng UI User Interface Giao diện ngời dùng UNI User Network Interface Giao diện mạng ngời sử dụng URI Uniform Resource Identifier Định danh tài nguyên thống URL Uniform Resource Locator Bộ xác định tài nguyên thống VoD Video on Demand Dịch vụ video theo yêu cầu VDSL Very Hight Rate Digital Subcriber Line Đờng dây thuê báo số tốc độ cao WLAN Wireless LAN Mạng cục không dây WG WAN Gateway Gateway mạng WAN WAN Wide Area Network Mạng diện rộng XML eXtensible Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng XHTML eXtensible Hypertext Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn mở rộng Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV 121 Ví dụ: Xét phần MB sau chuyển đổi DCT lợng tử hóa có hệ số nh bảng Sắp xếp theo thứ tự quét zig-zag ta đợc d y hệ số nh sau: 0,3,0,1,-1,-1,0,1,0 Số hệ số cần m hóa: TotalCoeffs = Số hệ số 0: Total_zeros = Chiều dài chuỗi hệ số giá trị cuối cùng: TrailingOnes = Có hệ số cuối d y mang giá trị 1nhng ba hệ số cuối đợc xét thành nhóm TrailingOnes, hệ số lại coi nh hệ số khác bình thờng khác Quá trình thực m hóa đợc mô tả nh bảng 2.11: Bảng 4.6 Ví dụ trình thực m hóa VLC Phần tử Coeff_token TrailingOne sign Level Total_zeros Run_before Giá trị TotalCoeffs =5 TrailingOnes = (Sử dụng bảng tham chiếu 1) TrailingOne sign (4) = + TrailingOne sign (3) = TrailingOne sign (2) = Level(3) = +1 (sử dụng suffixLength = 0) Level(1) = +3 (sử dụng suffixLength =1) ZeroLeft=3 Run_before(4) = ZeroLeft=2 Run_before(3) = ZeroLeft=2 Run_before(2) = Mã hóa 0000100 1 (prefix) 001 (prefix) (suffix) 111 10 1 Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV 122 ZeroLeft=1 Run_before(1) = ZeroLeft=1 Run_before(0) = Ta đợc dòng bit m hóa 01 Hệ số cuối Không cần m hóa cần truyền là: 000010001110010111101101 4.4 Main Profile Extended Profile Main Profile H.264 đợc xây dựng nhằm hỗ trợ ứng dụng truyền hình Profile mở rộng số chức Baseline Profile Các công cụ hỗ trợ thêm vào Main profile bao gồm mảnh loại B, dự đoán có trọng số phơng thức m hóa entropy CABAC Extended Profile hỗ trợ đặc biệt cho ứng dụng streaming video Profile bao gồm chức năng, công cụ Baseline Profile, bổ xung thêm mảnh B, dự đoán có trọng số (Weighted Prediction) số chức đặc biệt hỗ trợ cho streamming video thông qua môi trờng mạng nh Internet, SP SI Switching cho phép giải m chuyển đổi luồng tín hiệu video m hóa, phân mảnh liệu (Data Partitioned) nhằm hạn chế lỗi trình truyền 4.4.1 Mảnh loại B danh sách ảnh tham chiếu Các phần MB MB m hóa liên ảnh mảnh loại B đợc dự đoán từ hai ảnh tham chiếu, ảnh tham chiếu đứng trớc đứng sau theo thứ tự trình diễn so với ảnh thời Do có nhiều lựa chọn để dự đoán cho phần MB: ảnh tham chiếu đứng trớc, đứng sau đứng trớc đứng sau Các ảnh tham chiếu đợc lu thành hai danh sách: List List Khi chế độ dự đoán cho MB mảnh loại B dự đoán trực tiếp (Direct), từ List 0, từ List dự đoán hai hớng danh sách tham chiếu (Bipred) Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV 123 chế độ trực tiếp (Direct), vector chuyển dịch không đợc xử lý truyền mà vector chuyển dịch tơng ứng list list trớc đợc nhớ lại Có hai chế độ trực tiếp: trực tiếp không gian (spatial direct mode) trực tiếp thời gian (temporal direct mode) Giá trị phần d đợc tính trung bình giá trị phần d tơng ứng tính từ ảnh tham chiếu list list chế độ dự đoán hai hớng (Bi prediction), vector chuyển dịch đợc xác định từ vector chuyển dịch MB lân cận theo hớng thời gian 4.4.2 Dự đoán có trọng số Kỹ thuật dự đoán có trọng số (Weighted Prediction) đợc áp dụng cho trình tính toán dự đoán bù chuyển dịch cho MB mảnh loại B mảnh loại P Có ba loại dự đoán có trọng số H.264: - Dự đoán có trọng số rõ ràng MB mảnh loại P - Dự đoán có trọng số rõ ràng MB mảnh loại B - Dự đoán có trọng số không rõ ràng MB mảnh loại B Dự đoán có trọng số rõ ràng, trọng số đợc xác định trình m hóa (encoder) truyền nằm phần tiêu đề mảnh Dự đoán có trọng số không rõ ràng sử dụng hai trọng số w0 w1 đợc tính dựa quan hệ tơng đối mặt thời gian ảnh tham chiếu list list so với ảnh thời Trọng số lớn có nghĩa ảnh tham chiếu gần ảnh thời mặt thời gian 4.4.3 Mã hóa số học nhị phân thích nghi CABAC Kỹ thuật m hóa entropy dựa m hóa số học nhị phân thích nghi cho khả nén tốt so với kỹ thuật nén entropy khác Quá trình m hóa Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV 124 đợc thực thông qua giai đoạn: nhị phân hóa, lựa chọn mô hình thích nghi, m hóa toán học cập nhật xác suất Quá trình nhị phân hóa thực chuyển đổi ký hiệu không nhị phân thành giá trị dạng nhị phân dựa chế m hóa toán học Quá trình tơng tự nh trình chuyển đổi ký hiệu liệu dạng chiều dài biến đổi nhng chuỗi nhị phân đợc m hóa toán học trớc truyền Lựa chọn mô hình thích nghi mô hình xác suất cho tơng ứng cho ký hiệu đ đợc nhị phân hóa M hóa toán học: Một m hóa toán học thực m hóa chuỗi nhị phân tơng ứng với ký hiệu mô hình thích nghi đ đợc lựa chọn Cập nhật xác suất: Mô hình thích nghi đợc cập nhật giá trị từ giá trị vừa m hóa Điều làm cho mô hình thích nghi tiệm cận sát với chuỗi video đợc m hóa Kỹ thuật m hóa entropy dựa m nhị phân thích nghi đòi hỏi tính toán nhiều nhng hiệu nén cao so với phơng pháp sử dụng m có chiều dài biến đổi VLC 4.4.4 Mảnh SP mảnh SI Mảnh SP mảnh SI đợc đa vào Extended Profile, loại mảnh đặc biệt cho phép chuyển qua lại luồng tín hiệu video (video stream) cho phép giải m truy nhập ngẫu nhiên (random access) tới luồng tín hiệu video Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV 125 Hình 4.13 Chuyển đồi giải m luồng video từ Stream A sang Stream B Ví dụ giải m giải m Stream A muốn chuyển sang giải m Stream B Để đơn giản giả sử khung hình đợc m hóa mảnh đợc dự đoán từ khung hình trớc Do chuyển sang Stream B, giải m khung hình trớc để giải m khung hình Mảnh SP mảnh SI tạo mảnh trung gian AB cho phép giải m luồng tín hiệu Stream B Hình 4.13 Kỹ thuật làm cho H.264 hỗ trợ streaming nội dung video ứng dụng video thời gian thực tốt so với chuẩn nén video trớc Với công cụ hỗ trợ Profile, H.264 chuẩn nén video có nhiều u điểm Sự phát triển công nghệ vi điện tử kỹ thuật tính toán cho phép triển khai phần cứng hỗ trợ chuẩn nén H.264 với giá thành ngày rẻ H.264 đ đợc áp dụng nhiều ứng dụng truyền thông multimedia nói chung truyền hình IPTV nói riêng 4.5 Bộ công cụ nén video m nguồn mở Joint Video Team Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV 126 Joint Video Team (JVT) nhóm chuyên gia thuộc SG 16 tổ chức ITU-T (VCEG) WG 11 tổ chức MPEG đ tham gia nghiên cứu chuẩn hóa nén video Đợc hình thành từ năm 2001, nhóm đ phát hành phiên m nguồn mở nén video JM theo chuẩn H.264/MPEG AVC năm 2003 Từ nay, nhiều phiên đ đợc cập nhật đ thu hút đợc nhiều thành viên tham gia cộng đồng phát triển m Nội dung phần xin trình bày phần nghiên cứu cấu trúc sản phẩm m nguồn mở JM, cách sử dụng định hớng tham gia phát triển 4.5.1 Cấu trúc sản phẩm mã nguồn mở nén video H.264 JM JM đợc xây dựng ngôn ngữ lập trình C, chạy biên dịch C thông dụng hệ điều hành Windows Unix, Linux JM bao gồm hai phần chính: - Phần m nguồn m hóa video (encode): Nằm th mục lencode th viện m nguồn mở - Phần m nguồn giải m video (decode): Nằm th mục ldecode th viện m nguồn mở Ngoài hai công cụ hỗ trợ nén video, th viện m nguồn mở JM có công cụ hỗ trợ phân tích gói tin RPT rptdump ( Cấu trúc m nguồn đ đợc phân tích công cụ Doxygen đóng gói CD kèm theo) 4.5.2 Cách sử dụng phần mềm mã nguồn mở JM Sản phẩm m nguồn mở nén video JM thực hệ điều hành Unix, Linux Windows Trong khuôn khổ nghiên cứu, xin đợc trình bày cách sử dụng sản phẩm môi trờng hệ điều hành Windows Trên hệ điều hành Windows, sản phẩm m nguồn mở JM biên dịch nhờ biên dịch MS Visual Studio MS Visual Studio NET Sau biên Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV 127 dịch, biên dịch tạo tệp tin thực thi lencode.exe tơng ứng với chức m hóa sản phẩm tệp tin ldecode.exe tơng ứng với chức giải m sản phẩm Công cụ phân tích gói tin RPT tệp tin thực thi rptdump.exe 4.5.2.1 Phần m hóa a) Cấu trúc lệnh m hóa video Cấu trúc lệnh m hóa video sử dụng JM nh sau: Các lựa chọn bao gồm: - h: hiển thị tham số đợc la chọn để trợ giúp trình sử dụng - d defenc.cfg: sử dụng file defenc.cfg làm file chứa tham số mặc định tùy chọn m hóa Nếu bỏ qua tham số này, thiết lập file encoder.cfg th mục đợc chọn làm tùy chọn mặc định - f curenc1.cfg: Các tùy chọn tham số m hóa Các tham số đợc đặt file riêng rẽ đa vào tùy chọn - p Danh sách thiết lập tham chiếu: Tùy chọn đợc sử dụng muốn thiết lập tham số cụ thể câu lệnh Định dạng tín hiệu đầu vào m hóa YUV 4:0:0; YUV 4:2:0; YUV 4:2:2, YUV 4:4:4 RGB b) Kết thực m hóa Kết thực m hóa chuỗi tín hiệu video đợc ghi thành tệp tin dạng mở rộng 264 Chuỗi tín hiệu video đợc tái tạo trình m hóa (reconstructed) đợc ghi lại thành tệp tin có định dạng YUV Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV 128 Các tham số liệu thực trình m hóa đợc hiển thị hình có dạng nh hình 4.14 Bên cạnh tham số thiết lập cho chơng trình thực thi, tham số xử lý, tính toán thực thi đợc hiển thị, bao gồm: - Frame: Thứ tự hiển thị frame - Bit/pic: Dung lợng thông tin tính theo bit frame - WP: Phơng thức dự đoán có trọng số đợc lựa chọn cho frame - QP: Giá trị tham số lợng tử hóa khung - QL: Giá trị tham số lợng tử hóa Lagrangian khung - SnrY: Tỷ lệ S/N kênh tín hiệu Y - SnrU: Tỷ lệ S/N kênh tín hiệu U - SnrV: Tỷ lệ S/N kênh tín hiệu V - Time (ms): Tổng thời gian m hóa frame tính theo miligiây - MET(ms): Tổng thời gian tính toán tìm kiếm xử lý bù chuyển dịch khung - Frm/Fld: Frame/Field: Chế độ m hóa ảnh - Ref: Chỉ thị ảnh tham chiếu Trong trình nghiên cứu, thực chạy m hóa thử nghiệm với file video đầu vào với tham số nh sau: - File video đầu vào: bt.yuv dung lợng 180 MB - Định dạng video đầu vào YUV 4:2:0 - Số frame: 399 frames Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV 129 - Kích thớc frame: 640 x 480 - Cấu trúc chuỗi video m hóa I B P B P - Phơng thức m hóa entropy: CABAC - Phơng thức tính toán bù chuyển dịch: Fast Full Search - Định dạng tín hiệu đầu ra: Dạng byte stream - File tín hiệu đầu ra: bt.264 - File tái tạo tín hiệu video m hóa: btrec.yuv Sau thử nghiệm chạy m hóa video, kết thực nh sau: Tổng thời gian m hóa: 26.945.268 ms Tổng thời gian tính toán xử lý bù chuyển dịch: 21.017.309 ms Dung lợng file m hóa đầu ra: 2,771 MB Hình 4.15 hình ảnh kết thực chơng trình Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV 130 Hình 4.14 Hiển thị tham số m hóa trình thực thi chơng trình Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV 131 Hình 4.15 Trích hình kết thực với liệu thử nghiệm Kết tính toán số tham số liệu thử nghiệm nh sau: - Số frame: 399 frame - Thời gian trung bình m hóa frame: 26.945.268/399 = 67532 ms/frame - Thời gian trung bình tìm kiếm xử lý bù chuyển dịch cho frame: Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV 132 21.017.309/399 = 52.675 ms/frame - So sánh với dung lợng tín hiệu video gốc ta đợc tỷ số nén là: 180MB/2,771MB = 64.96 lần (Các file video nguồn kết thực đợc đóng gói CD kèm theo) 4.5.2.2 Phần giải m Cấu trúc lệnh giải m có dạng nh sau: Các lựa chọn bao gồm: - h: hiển thị tham số đợc la chọn để trợ giúp trình sử dụng - d defdec.cfg: sử dụng file defenc.cfg làm file chứa tham số mặc định tùy chọn giải m Nếu bỏ qua tham số này, thiết lập file decoder.cfg th mục đợc chọn làm tùy chọn mặc định - o output.yuv: Tên file video giải m đầu - p Danh sách thiết lập tham số: Tùy chọn đợc sử dụng muốn thiết lập tham số cụ thể câu lệnh - uv: Chuyển định dạng gray scale Định dạng tín hiệu đầu vào dạng nén H.264, định dạng tín hiệu đầu dạng YUV 4.5.3 Định hớng tham gia phát triển Bộ sản phẩm m nguồn mở JM nén video chuẩn H.264 JVT liên tục đợc cộng đồng tham gia phát triển cập nhật Nghiên cứu, phát triển sản phẩm dựa số định hớng sau: Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV 133 - Tiếp tục hoàn thiện tính sản phẩm để sản phẩm đáp ứng hết công cụ ba Profile chuẩn nén H.264 - Cải tiến giải pháp thực thủ tục sản phẩm để nâng cao hiệu nén tối u hóa trình tính toán - Nghiên cứu, kế thừa ứng dụng phát triển cho chuẩn nén hệ - ứng dụng sản phẩm vào ứng dụng cụ thể nh phần mềm nén video, streaming video, chuyển thành m nhúng để tích hợp vào sản phẩm phần cứng xử lý tín hiệu video thời gian thực đặc biệt thiết bị hệ thống IPTV Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV 134 Kết luận kiến nghị Hệ thống IPTV giai đoạn chuẩn hóa phát triển, hứa hẹn đem lại nhiều dịch vụ giải trí, thông tin tiên tiến đến với khách hàng Đồng thời tích hợp dịch vụ IPTV hệ thống mạng sẵn có phù hợp với xu hội tụ công nghệ, tận dụng lực hệ thống mạng truyền dẫn, đem lại doanh thu lớn cho nhà khai thác cung cấp dịch vụ viễn thông Nằm xu chuẩn hóa và phát triển đó, chuẩn Open IPTV đời đ bớc đầu xây dựng đợc tảng kiến trúc chức cho hệ thống mạng IPTV Là hệ thống mở, Open IPTV đáp ứng dịch vụ hệ thống IPTV giai đoạn mà có khả kết hợp với dịch vụ truyền thông khác nhằm đa dịch vụ gia tăng hệ thống tơng lai Tuy có nhiều u điểm vợt trội so với hệ thống truyền hình truyền thống, hệ thống dịch vụ IPTV nhiều vấn đề kỹ thuật cần phải giải quyết, đặc biệt khả cạnh tranh với hệ thống truyền hình truyền thống đ đáp ứng đợc phần lớn nhu cầu ngời dùng Do việc nghiên cứu, phát triển kiến trúc giao thức hệ thống mở Open IPTV bớc cần thiết để hoàn thiện vấn đề kỹ thuật, phát huy lợi hệ thống dịch vụ mẻ Trong số vấn đề kỹ thuật quan trọng IPTV, vấn đề nén video để giảm băng thông truyền dẫn cần thiết công cụ hỗ trợ streaming video đợc quan tâm phát triển Các tổ chức nghiên cứu chuẩn hóa nén video đ cho nhiều chuẩn nén khác nhau, đáp ứng đợc yêu cầu chất lợng ứng dụng lĩnh vực Chuẩn nén MPEG AVC/ H.264 chuẩn nén đợc đánh giá có nhiều u điểm, hiệu nén cao có tính hỗ trợ ứng dụng truyền video thời gian thực nh IPTV Tham gia chuẩn hóa tiêu chuẩn nén video H.264, nhóm JVT đ xây dựng phát triển sản phẩm m nguồn mở nén video JM Sản phẩm đ thu hút Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV 135 đợc cộng đồng phát triển ứng dụng Việc nghiên cứu, phát triển, ứng dụng sản phẩm m nguồn mở JM hớng cần thiết cho phát triển ứng dụng video thời gian thực có sản phẩm ứng dụng hệ thống dịch vụ IPTV Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV ... chơng: Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV - Chơng 1: Tổng quan hệ thống truyền hình IPTV: Trình bày vấn đề tổng quát dịch vụ IPTV, hệ thống mạng vấn đề kỹ thuật mạng cung cấp dịch vụ IPTV. .. tìm hiểu, nghiên cứu cấu trúc hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV, đợc bảo Thầy TS Nguyễn Chấn Hùng, đ chọn đề tài làm luận văn tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV Nội dung... luận văn nghiên cứu tổng thể cấu trúc mạng cung cấp dịch vụ IPTV từ phía nhà cung cấp dịch vụ tới phía khách hàng, nghiên cứu kiến trúc hệ thống Open IPTV, chuẩn chung đ đợc nhà phát triển thống